机械工程学报

作者：肖家栾, 孙燕杰, 曹阳, 杜新光, 曹军军, 姚宝恒, 连琏

单位：1. 上海交通大学海洋学院 上海 200030;2. 中国船舶科学研究中心上海分部 上海 200011

关键词：深海采矿,悬浮式采矿模式,水下机器人,动力学建模,质量时变；

基金：国家重点研发计划(2021YFC2801600)、国家自然科学基金青年科学基金(42206189，52301328)和上海市科学技术委员会青年科技英才扬帆计划(21YF1419900)资助项目

深海多金属结核采矿作业过程中，传统的履带式采矿机器人由于重量和采矿模式的原因，会对深海底壤造成破坏式压陷以及对沉积物产生强烈的扰动羽流，导致底栖生态环境发生不可逆的变化，严重破坏深海生境。针对上述问题，中国船舶科学研究中心基于遥控水下机器人提出一种新型的悬浮式采矿模式，通过控制采矿机器人齿耙的贯入深度以及降低系统运行功率，最大化减小采矿系统对海洋生境的影响。采用悬浮作业模式，机器人不仅会受到海流的干扰，而且会受到采矿过程中沉积物堆积造成的阻力和纵倾力矩。此外，采矿过程中机器人内部暂存结核的时变质量是导致机器人不稳定的另一个因素。首先，基于上述背景介绍新型深海悬浮式采矿系统各个组成部件的结构布置；然后，系统地阐述深海悬浮式采矿系统的工作原理，并探讨采矿机器人在工作过程中的受力分析；接着，建立质量和重心时变的水下机器人动力学模型，并详细分析悬浮式采矿作业过程中机器人质量参数的变化；最后，聚焦于质量参数时变及外界扰动两个问题，通过仿真分析采矿机器人在不同工况下的运动响应及相应的控制输入，验证该新型采矿模式的可行性。仿真结果表明，采集头中的结核质量会降低采矿机器人的横滚运动响应，增大采矿机器人在转艏运动在外界扰动下的不稳定性。在预设极限工况下，采矿机器人的推力至多增加22.4%，此时仍处于有效工作范围内，不影响悬浮式采矿系统稳定运行。分析结果对悬浮式采矿模式的工程应用具有一定的指导意义。

来源：2025年第18期

《机械工程学报》期刊编辑部

查看机械工程学报杂志2025年第18期